Sperling Nội tiết học Nhi khoa, Ấn bản thứ 5. PHẦN I. CHƯƠNG 3: Các Con Đường Dẫn Truyền Tín Hiệu Thụ Thể Trung Gian Cho Hoạt Động Của Hormone

Sperling Nội tiết học Nhi khoa, Ấn bản thứ 5 – Biên dịch: Ths.Bs. Lê Đình Sáng
Sperling Pediatric Endocrinology, Fifth Edition
Tác giả: Sperling, Mark A., MD – Nhà xuất bản: Elsevier Inc.

CHƯƠNG 3: Các Con Đường Dẫn Truyền Tín Hiệu Thụ Thể Trung Gian Cho Hoạt Động Của Hormone

Bassil Kublaoui; Michael A. Levine Sperling Pediatric Endocrinology, 3, 30-85

Mở đầu

Hormone thực hiện hoạt động của chúng bằng cách gắn vào các protein thụ thể đặc hiệu, một quá trình gây ra những thay đổi về cấu hình hoặc tái phân bố trong các ngăn của các protein này. Thụ thể được hoạt hóa giờ đây có khả năng tạo ra các hiệu ứng nội bào tích cực (hoặc tiêu cực) mà cuối cùng được ghi nhận là một đáp ứng sinh lý. Tính đặc hiệu của hoạt động hormone được quyết định bởi ái lực của hormone đối với các thụ thể khác nhau, sự biểu hiện đặc hiệu của thụ thể trên từng loại tế bào, và các đáp ứng duy nhất được tạo ra khi phối tử chiếm giữ thụ thể.

Kể từ đầu những năm 2000, sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động của hormone đã tiến bộ nhanh chóng nhờ vào thành công của hệ gen học (genomics) và các kỹ thuật sinh học phân tử tiên tiến. Cách tiếp cận kết hợp này đã dẫn đến việc phát hiện và phân loại một số lượng lớn bất ngờ các thụ thể, một số khá mới lạ và một số khác thậm chí không được lường trước, là thành viên của các họ protein lớn được bảo tồn về mặt di truyền. Hơn nữa, sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động của thụ thể đã được làm sáng tỏ nhờ việc xác định và mô tả chi tiết các protein truyền tín hiệu sau thụ thể và các cơ chế truyền tín hiệu. Bốn siêu họ thụ thể chính đã được xác định, được phân biệt bởi cấu trúc protein, vị trí tế bào và các hệ thống tác động. Các họ này bao gồm các thụ thể kết cặp G-protein (GPCRs), thụ thể cytokine, thụ thể tyrosine kinase (RTKs), và các thụ thể nhân (Bảng 3.1). Chương này tổng quan các đặc điểm chính của các họ thụ thể quan trọng này. Các đột biến ảnh hưởng đến chức năng thụ thể dẫn đến các rối loạn nội tiết cũng được nhấn mạnh.

Bảng 3.1 Các Loại Thụ Thể Hormone Chính

ACTH, hormone vỏ thượng thận; DAX1, gen 1 vùng tương đồng quan trọng gây bất sản thượng thận bẩm sinh đảo ngược giới tính nhạy cảm với liều lượng trên nhiễm sắc thể X; FSH, hormone kích thích nang trứng; GHRH, hormone giải phóng hormone tăng trưởng; GnRH, hormone giải phóng gonadotropin; GPR54, thụ thể 54 của peptide có nguồn gốc từ KISS-1; HNF4A, yếu tố nhân tế bào gan-4α; IGF-1, yếu tố tăng trưởng giống insulin-1; LH, hormone tạo hoàng thể; PPARγ, thụ thể kích hoạt tăng sinh peroxisome γ; PTH, hormone cận giáp; TRH, hormone giải phóng thyrotropin; TSH, hormone kích thích tuyến giáp.

Các nguyên tắc cơ bản của hoạt động thụ thể

Một phân tử gắn vào một thụ thể được gọi là phối tử (ligand). Khi sự gắn kết của phối tử dẫn đến việc hoạt hóa các quá trình truyền tín hiệu bên trong tế bào, phối tử đó được gọi là chất chủ vận (agonist). Đáp ứng của một thụ thể đối với phối tử của nó thường được đánh giá bằng hai đặc tính của phối tử: hiệu lực và hiệu quả. Hiệu lực mô tả nồng độ phối tử cần thiết để gây ra hiệu ứng sinh học bằng cách gắn vào thụ thể. Một chất chủ vận có hiệu lực mạnh sẽ hoạt hóa các thụ thể ở nồng độ thấp, thường ở khoảng nanomol. Hiệu quả mô tả hiệu ứng tối đa do một phối tử gây ra. Hiệu lực thường được mô tả bằng cách sử dụng EC50, là nồng độ phối tử gây ra một nửa hiệu ứng tối đa. Khi một chất chủ vận tổng hợp vượt quá hiệu quả của phối tử tự nhiên, nó được gọi là siêu chủ vận (super agonist). Khi các phối tử của thụ thể (tự nhiên hoặc tổng hợp) không gây ra sự hoạt hóa hoàn toàn, chúng được gọi là chất chủ vận một phần (partial agonists). Một chất đối kháng (antagonist) là một phân tử ngăn chặn phối tử tự nhiên gắn vào thụ thể của nó. Nếu nó gắn vào cùng vị trí với chất chủ vận tự nhiên, nó được gọi là chất đối kháng cùng vị trí (orthosteric antagonist). Nếu nó gắn vào một vị trí khác với chất chủ vận tự nhiên, nó được gọi là chất đối kháng dị lập thể (allosteric antagonist). Hiệu lực của chất đối kháng được mô tả bằng IC50, là nồng độ gây ra một nửa sự ức chế tối đa. Một thụ thể có hoạt tính nền cấu thành có thể được gắn bởi một phối tử ức chế hoạt động của thụ thể khi không có phối tử tự nhiên. Trong trường hợp này, phối tử được gọi là chất chủ vận đảo nghịch (inverse agonist). Một thang đo đã được xây dựng để thể hiện tính liên tục trong chức năng của phối tử-thụ thể—từ –1 (đại diện cho một chất chủ vận đảo nghịch hoàn toàn), đến 0 (đại diện cho một chất đối kháng trung tính), đến +1 (đại diện cho một chất chủ vận hoàn toàn).

Các thụ thể có nhiều cấu hình khả dĩ đang liên tục thay đổi. Các thụ thể tồn tại ở một số cấu hình nhiều hơn các cấu hình khác, dựa trên năng lượng tự do của mỗi cấu hình. Các chất chủ vận hoạt động như những chất điều biến làm ổn định một cấu hình nhất định của thụ thể bằng cách giảm năng lượng cần thiết để đi vào cấu hình đó. Cấu hình này liên quan đến việc hoạt hóa tín hiệu xuôi dòng. Các chất chủ vận một phần làm ổn định thụ thể ở các cấu hình kém hiệu quả hơn trong việc hoạt hóa tín hiệu xuôi dòng. Các siêu chủ vận làm ổn định thụ thể ở các cấu hình hiệu quả hơn trong việc hoạt hóa tín hiệu xuôi dòng. Những thay đổi về cấu hình trong một thụ thể cũng có thể ảnh hưởng đến số lượng và loại tín hiệu mà một thụ thể tạo ra. Trong mô hình cổ điển, một GPCR được cho là hoạt động như một công tắc nhị phân có thể được hoạt hóa bằng cách gắn chất chủ vận hoặc bị ức chế bằng cách chất đối kháng ngăn chặn sự gắn kết của chất chủ vận. Bây giờ chúng ta biết rằng tín hiệu GPCR phức tạp hơn một mô hình công tắc nhị phân đơn giản (tức là “bật” và “tắt”), và các phối tử khác nhau có thể gắn vào cùng một GPCR và lựa chọn hoạt hóa một con đường xuôi dòng này thay vì một con đường khác. Khả năng các phối tử khác nhau gây ra các cấu hình khác nhau của một thụ thể mà hoạt hóa (hoặc ức chế) các tín hiệu xuôi dòng chọn lọc được gọi là tín hiệu thiên lệch (biased signaling). Các phối tử gắn vào vị trí tự nhiên của một thụ thể nhưng tạo ra các sự kiện truyền tín hiệu khác nhau được gọi là phối tử cùng vị trí (orthostatic ligands). Một ví dụ về điều này là thụ thể của hormone kích thích nang trứng (FSH), một GPCR cổ điển. FSH được glycosyl hóa hoàn toàn có tính acid hơn và hoạt động như một chất chủ vận hoàn toàn tại các thụ thể FSH, hoạt hóa tín hiệu kết cặp Gs và tạo ra cyclic adenosine monophosphate (AMP). FSH được glycosyl hóa một phần có tính kiềm hơn và hoạt động như một chất chủ vận một phần hoặc một phối tử thiên lệch vì nó hoạt hóa cả hai con đường Gs và Gi, chúng cạnh tranh với nhau. FSH đã bị loại bỏ gốc đường không có tác dụng lên tín hiệu nhưng lại gắn vào thụ thể và do đó hoạt động như một chất đối kháng cạnh tranh. Các biến thể được glycosyl hóa khác nhau này tồn tại trong tuần hoàn và là một phương tiện để tinh chỉnh tín hiệu từ tuyến yên đến tuyến sinh dục. Trong một số trường hợp, một phối tử trung tính có thể gắn vào thụ thể tại một vị trí khác với vị trí gắn của phối tử tự nhiên và bằng cách đó, ảnh hưởng đến cấu hình của thụ thể sao cho hiệu quả của phối tử được tăng lên, giảm đi, hoặc bị thiên lệch. Chúng được gọi là chất điều biến dị lập thể (allosteric modulators). Chúng không tự hoạt hóa hay ức chế các thụ thể. Tương tự, có những phối tử tổng hợp dị lập thể cho thụ thể FSH thể hiện sự thiên lệch tín hiệu từ chất chủ vận hoàn toàn đến chất chủ vận đảo nghịch.

Các thụ thể thường được tìm thấy liên kết với các protein khác dù ở bề mặt tế bào hay trong bào tương. Các protein liên kết này ảnh hưởng đến cấu hình của thụ thể. Một ví dụ là các protein điều chỉnh hoạt động của thụ thể hay RAMPs. Thụ thể calcitonin và thụ thể giống calcitonin là các GPCR có thể gắn với một số phối tử (calcitonin, adrenomedullin, amylin, và peptide liên quan đến gen calcitonin). RAMP1, RAMP2, và RAMP3 liên kết với cả thụ thể calcitonin và thụ thể giống calcitonin, và tùy thuộc vào RAMP nào được liên kết sẽ quyết định tính chọn lọc đối với một trong các phối tử nêu trên.

Tính linh hoạt về cấu hình của các thụ thể và sự tương tác với nhiều phối tử và chất điều biến dẫn đến sự phức tạp, đặc hiệu, và tinh chỉnh cao hơn, cũng như hiệu quả tổng thể.

Thụ thể kết cặp G-protein

Hơn 1% hệ gen của động vật có xương sống mã hóa một họ protein lớn gồm các thụ thể cảm nhận các phân tử bên ngoài tế bào và hoạt hóa các con đường dẫn truyền tín hiệu và, cuối cùng, là các đáp ứng tế bào. Các protein thụ thể này được nhúng trong màng sinh chất và được kết cặp với các hệ thống tạo tín hiệu nội bào bởi các protein G dị tam thể (heterotrimeric G proteins) (tức là GPCRs). GPCRs còn được gọi là thụ thể có bảy vùng xuyên màng (seven-transmembrane domain receptors), thụ thể 7TM (7TM receptors), thụ thể bảy xoắn (heptahelical receptors), và thụ thể xoắn ốc (serpentine receptors). Chúng được gọi là thụ thể xuyên màng vì chúng đi qua màng tế bào, và chúng được gọi là thụ thể bảy lần xuyên màng vì chúng có các vùng xoắn alpha đi qua màng tế bào 7 lần. Hệ gen người mã hóa khoảng 950 GPCR. GPCR liên quan đến nhiều bệnh và cũng là mục tiêu của khoảng 40% tất cả các loại thuốc hiện đại. Khoảng 150 trong số các GPCR được tìm thấy trong hệ gen người có chức năng chưa được biết. Hầu hết các GPCR là thụ thể mùi và pheromone. Cũng cần lưu ý rằng hầu hết các hormone đều gắn với GPCR, và do đó, sự dẫn truyền tín hiệu phụ thuộc G-protein là cơ chế phổ biến nhất cho hoạt động của hormone (Bảng 3.2).

Bảng 3.2 Thụ Thể Kết Cặp G-protein và Các Tình Trạng Lâm Sàng Liên Quan Đến Đột Biến Thụ Thể

ACTH, hormone vỏ thượng thận; FSH, hormone kích thích nang trứng; GHRH, hormone giải phóng hormone tăng trưởng; GnRH, hormone giải phóng gonadotropin; GPR54, thụ thể 54 của peptide có nguồn gốc từ KISS-1; LH, hormone tạo hoàng thể; PTH, hormone cận giáp; TRH, hormone giải phóng thyrotropin; TSH, hormone kích thích tuyến giáp.

Siêu họ GPCR được chia thành tám loại chính. Các thụ thể này chứa một miền ngoại bào đầu tận amino, thường được gọi là miền ngoại bào (ectodomain) hoặc miền ngoài (exodomain). Các thụ thể này cũng chứa bảy chuỗi xoắn alpha được cho là xuyên màng (TM-I đến TM-VII). Các chuỗi xoắn alpha được nối với nhau bởi ba vòng nội bào (i1–i3) và ba vòng ngoại bào (e1–e3), thường được gọi chung là vùng xoắn ốc (serpentine region) (Hình 3.1). Vùng nội bào đầu tận carboxy thường được gọi là miền nội bào (endodomain).

Hình 3.1 Cấu trúc và chức năng của thụ thể kết cặp G-protein (GPCR). GPCR có một miền ngoại bào đầu tận amino, bảy miền xuyên màng giả định được ngăn cách bởi ba vòng ngoại bào (e1-e3) và ba vòng nội bào (i1-i3), và một miền nội bào đầu tận carboxy. Sự gắn kết của phối tử dẫn đến việc trao đổi guanosine 5’-triphosphate (GTP) cho guanosine 5’-diphosphate (GDP), gây ra sự phân ly của G-protein thành một tiểu đơn vị GTPα và một tiểu đơn vị βγ. Sau đó, các tiểu đơn vị này làm thay đổi hoạt động của các enzyme tác động nội bào và các kênh xuyên màng, dẫn đến sự thay đổi nồng độ nội bào của các chất truyền tin thứ hai có thể bao gồm cyclic adenosine monophosphate và calci.

GPCR được hoạt hóa bởi một loạt các tín hiệu đa dạng, bao gồm protein, nucleotide, gốc acid amin, Ca2+, photon ánh sáng, và các chất tạo mùi (xem Hình 3.1). Người ta giả định rằng sự gắn kết của phối tử làm thay đổi cấu hình của các miền xuyên màng và các vòng nội bào, làm tăng ái lực của thụ thể đối với các protein gắn guanosine nucleotide dị tam thể (G-protein) đặc hiệu (xem Hình 3.1). Các G-protein có chung một cấu trúc dị tam thể bao gồm một tiểu đơn vị α và một phức hợp βγ liên kết chặt chẽ. Tiểu đơn vị α tương tác với các phân tử dò tìm và tác động, gắn guanosine 5’-triphosphate (GTP), và có hoạt tính GTPase nội tại. Có 16 gen ở động vật có vú mã hóa cho khoảng 20 chuỗi α khác nhau. Các tiểu đơn vị Gα được phân loại thành bốn nhóm và bao gồm Gsα (G kích thích), Giα (G ức chế) và Goα (G khác), Gq/11α, và G12/13α. Chúng hoạt động khác nhau trong việc nhận biết chất tác động nhưng có cấu trúc và cơ chế hoạt hóa tương tự. Các tiểu đơn vị Gα bao gồm hai miền: một miền gắn GTP và một miền chèn xoắn ốc. Miền gắn GTP tương đồng với các GTPase nhỏ giống Ras và bao gồm các vùng chuyển đổi I và II, chúng thay đổi cấu hình trong quá trình hoạt hóa. Các vùng chuyển đổi là các vòng của chuỗi xoắn alpha với các cấu hình nhạy cảm với guanine nucleotide. Miền chèn xoắn ốc được chèn vào miền gắn GTP trước vùng chuyển đổi I và là duy nhất cho các G-protein dị tam thể. Miền chèn xoắn ốc này cô lập guanine nucleotide tại giao diện với miền gắn GTP và phải được dịch chuyển để cho phép sự phân ly nucleotide.

Các tiểu đơn vị α liên kết với một nhóm nhỏ hơn các tiểu đơn vị β(5) và γ(12). Tính đặc hiệu tổ hợp trong các liên kết giữa các tiểu đơn vị G-protein khác nhau tạo ra tiềm năng cho sự đa dạng to lớn và có thể cho phép các dị tam thể riêng biệt tương tác chọn lọc chỉ với một số lượng hạn chế các GPCR và protein tác động.

Có hai con đường dẫn truyền tín hiệu chính liên quan đến GPCR: con đường tín hiệu cyclic AMP và con đường tín hiệu phosphatidylinositol. Việc tạo tín hiệu do G-protein gây ra được điều chỉnh bởi một “đồng hồ phân tử” được xác định bởi tốc độ trao đổi và thủy phân GTP. Ở trạng thái không hoạt động, G-protein tồn tại ở dạng dị tam thể với guanosine 5’-diphosphate (GDP) gắn vào chuỗi α. Sự tương tác của một thụ thể đã gắn phối tử với một G-protein dẫn đến việc giải phóng GDP, sau đó là sự gắn kết của GTP vào chuỗi α. Sự gắn kết của GTP vào chuỗi α dẫn đến sự phân ly của chuỗi α khỏi phức hợp βγ, cho phép chuỗi α-GTP tự do tương tác với các enzyme đích và các kênh ion. Các phức hợp βγ cũng tham gia vào các sự kiện truyền tín hiệu xuôi dòng thông qua sự tương tác với một loạt các mục tiêu ngày càng mở rộng, bao gồm một số dạng adenylyl cyclase và phospholipase C, các kênh kali, và các kinase của GPCR.

Tín hiệu G-protein bị chấm dứt bởi sự thủy phân α-GTP thành α-GDP bởi một GTPase nội tại. Một nhóm protein, được gọi là chất điều hòa tín hiệu G-protein (regulators of G protein signaling – RGSs), hoạt động như các protein hoạt hóa GTPase (GAPs), đặc hiệu cho các tiểu đơn vị Gα. Các protein này làm tăng tốc độ thủy phân GTP thành GDP và chấm dứt tín hiệu được truyền đi. Trong một số trường hợp, chính chất tác động có thể có hoạt tính GAP nội tại, giúp vô hiệu hóa con đường. Điều này đúng trong trường hợp của phospholipase C β, có hoạt tính GAP trong vùng đầu tận carboxy của nó. Đây là một hình thức điều hòa thay thế cho tiểu đơn vị Gα. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các GAP không có các gốc xúc tác để hoạt hóa G-protein α. Thay vào đó, GAPs làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết để phản ứng diễn ra. Sau khi GTP bị thủy phân, chuỗi Gα-GDP tái liên kết với phức hợp βγ; G-protein dị tam thể tái liên kết giờ đây có khả năng tham gia vào một chu trình khác của tín hiệu được hoạt hóa bởi thụ thể.